DE2715671A1 - Schmierstoffzusammensetzung - Google Patents
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Description
united States Department of Commerce, Washington, D.C, U.S.A.
A Department of the United States Government
Schmierstoffzusammensetzung
Die Erfindung betrifft eine Schmierstoff zusammensetzung.
Wegen ihrer thermischen Stabilität haben perfluorierte Polyalkyläther-Flüssigkeiten
ein großes Potential zur Nutzung als Maschinenöle, hydraulische Flüssigkeiten und Fette. Jedoch resultiert
ein ernstes Hindernis zu ihrer Benutzung aus der Tatsache, daß gewisse Metalle, z.B. einige, die bei Flugzeugmaschinenkcmponenten
vorhanden sind, bei erhöhten Temperaturen in einer oxydierenden Umgebung korrodiert werden. Beispielsweise sind ernsthafte
Korrosionen bei 500 bis 600 F (entsprechend etwa 260 bis 31ό C) aufgetreten, wenn diese Flüssigkeiten als Schmierstoffe
für aus Flußstahl bestehende mechanische Komponenten benutzt
717
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(Bi-Z 29030010; 1001449
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βο;;η\;ι·ητ
wurden. Außerdem werden rostfreie Stähle, Titan und seine
Legierungen durch die Flüssigkeiten über 600 F (316°C) angegriffen.
Weiter erfahren die Flüssigkeiten selbst, wenn sie mit Titan und Titanlegierungen benutzt werden, negative
Viskositätswechsel zum Nachteil fortgesetzter Schmierkapazität.
Eine ideale Schmierstoff zusammensetzung sollte eine relativ
konstante Viskosität besitzen, so daß sie fließbar und pumpbar über einen großen Temperaturbereich ist, z.B. von -50 F bis
600°F (etwa -46°C bis 316°C). Bis heute ist eine Grundflüssigkeit,
die dieses Erfordernis erfüllt, nicht erhältlich; z.B. zersetzen sich diejenigen Flüssigkeiten bei erhöhten Temperature^
die bei niedrigen Temperaturen eine ausreichende Viskosität besitzen. Grundflüssigkeiten die stabil sind und eine befriedigende
Viskosität bei erhöhten Temperaturen besitzen sind bei Minus-Temperaturen zu viskos zum Fließen oder Pumpen. Daher
ist es notwendig, Kompromisse in der Auswahl der Grundflüssigkeiten
in Abhängigkeit von den tatsächlichen Benutzungsbedingungen zu schließen.
In der US-PS 3 393 151 eines der Ko-Erfinder der vorliegenden
Anmeldung von 16. Juli 1968 sind Schmierstoffe genannt, die
einen perfluorierten aliphatischen Polyäther und eine Perfluorophenylphosphor-Verbindung
enthalten. In der US-PS 3 4 99 041 eines der Ko-Erfinder der vorliegenden Anmeldung vom 3. März
1970 sind gewisse Perfluoroary!phosphine als antikorrosive
Additive für perflucrierte Flüssigkeiten genannt. Während die
in diesen Patenten beschriebenen Phosphorverbindungen korrosionshindernde Eigenschaften zeigen, sind sie in perfluorierten
Flüssigkeiten bei niedrigen Temperaturen nur schwach löslich. Auch besitzen gewisse Phosphorverbindungen hohe Flüchtigkeitseigenschaften bei langandauernden Hochtemperatüranwendungen.
Deswegen sind perfluorierte Flüssigkeiten, die solche Antikorrosionsadditive
enthalten, nicht vollständig befriedigend für langandauernde, einen weiten Temperaturbereich umfassende
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Anwendungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Schmierstoffzusammensetzung zu schaffen, die - wenn überhaupt geringe
korrosive Effekte auf Eisen- und Titanlegierungen hat, die eine relativ konstante Viskosität über einen weiten Temperaturbereich
besitz L und im wesentlichen keiner Zersetzung unterliegt, wenn sie mit Titan in Berührung kommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Grundflüssigkeit,
die im wesentlichen aus einer Mischung von fluorierten Polyäthern mit der Formel:
Rf0
(CF2O)
(A)
besteht,wobei Rf CF oder C3F ist, m und η ganze Zahlen sind, deren
Summe zwischen 2 und 200 und deren Verhältnis η zu m zwischen 0.1 und 10 liegt; und einen Korrosionsverhinderungsanteil eines
perfluoralkyläther-substituierten Arylphosphins mit der Formel:
3-n
wobei eines der R eine Perfluoroalkyläthergruppe, zwei der
R . Fluor und n=1, 2 oder 3 sind.
Die Zeichnung zeigt graphisch die Viskositäts-Temperaturbeziehung
der in der erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzung benutzten
Flüssigkeiten.
Die Grund flüssigkeiten (Formel A) werden synthetisiert durch
Präparieron linear perfluoriertor Kopolyäther durch photochemische
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BOEHMFRT & BOEHVERT
Reaktionen mit molekularem Sauerstoff einer flüssigen Phase,
die aus einer Lösung von Perfluoroäthylen in einem inerten Lösungsmittel besteht. Das Eliminieren der Peroxidgruppen der
Kopolyäther durch thermische Behandlung in einem Temperaturbereich
von 100 bis 250 C schafft die in der erfindungsgemäßen
Schmierstoff zusammensetzung benutzten Grundflüssigkeiten. ·
Die (CFoCF„0) - und die (CF-O) - Gruppen der fluorierter.
Polyäther sind in den Polyäthermolekülen, die CF.,- oder C3F5-Endgruppen
besitzen, zufallsverteilt. Die Moleküle können auch eine kleine Anzahl, z.B. etwa 1 bis 2 % der (CF-CF-O) und
(CF2O) - Gruppen, an (CF2KO- und (CF2) .0- Gruppen enthalten.
Die ganzen Zahlen m und η können auch so bestimmt werden,
daß sie solche Werte besitzen, daß die fluorierten Polyäther eine kinematische Viskosität im Bereich von 15 bis 100 Zentistokes
(cSt) bei 100°F (780C)- durch die ASTM D445-Methode bestimmt enthalten.
Die fluorierten Polyäther werden normalerweise als Mischungen der verschiedenen Moleküle erhalten, von denen jedes
ein wohldefiniertes Molekulargewicht besitzt. Die übliche
Praxis ist, die fluorierten Polyäther zu fraktionieren, um so ein Produkt zu erhalten, das ein gewünschtes durchschnittliches
Molekulargewicht oder eine gewünschte durchschnittliche kinematische Viskosität - wie sie oben definiert wurde - besitzt.
Bezüglich einer vollständigeren Diskussion der fluorierten Polyäther und ihrer Herstellungsverfahren v/ird auf die US-PS 3 71 5
von D. Siariesi et al vom 6. Februar 1973 und auf D. Sianesi et al.
La Chimica E L'Industria, ^5_, 202-221 (1973) verwiesen.
Bevorzugte fluorierte Phosphine (Formel B) sind solche, in denen
der Perfluoroalkylather paraständig zum Phosphor ist. R kann
jeder Perfluoroalkyläther sein, so lang die Gruppe wenigstens eine Ätherverbindung besitzt, wobei allerdings oft bevorzugt
wird, daß sie zwei oder mehrere enthält. Beispiele der Perfluoroalkyläthergruppen
sind Folgende, wobei R = (CF„RfORf) ist:
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NACHGEREICHT
I I C3F7O(CCF2O^CCF2-; C3F5O(C2F4O) CF2CF2-, und
CF3O(CF2O)
wobei χ, y und ζ Null oder ganze Zahlen von 1 bis 20 sind,
vorzugsweise 1 bis 4.
Das Verfahren zur Herstellung vollständig fluorierter Phosphine, d.h. wenn η in der obigen Formel gleich 3 ist, kann folgendermaßen
sein:
FF FF FF
(D
0
il
il
(III) + CfORfCX
> CuX f Br
(IV)
(III)
HF
(V) + SF,
Br
F F
CRfORf
F F (V)
OR
F F (VI)
(VI) + BuLi
OR, + BuBr
F F (VII)
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BOEHMI7RT & BOcHMFRT
3(VII) + PCL,
3LiCl + P
F F
CF2RfORf
F F
(VIII)
In (1) reagiert 1,4-Dibromotetrafluorobenzen mit Äthylmagnesiumbromid
und dies v/ird ausgeführt durch Mischen von Lösungen der Verbindungen in geeigneten Lösungsmitteln unter solchen Bedingungen,
daß sich (II) bildet, beispielsweise im Bereich von -5 bis +5 C für 15 Minuten bis 1 Stunde. Das Kupferhalogenid
reagiert mit (II), wobei organisches Kupfer (III) gebildet wird.
(III) ist ein Zwischenprodukt, das mit Perfluoroazylhalogeniden
reagieren kann, um eine Vielfalt von Ketonen zu bilden, wie in Gleichung (2) gezeigt ist. Die Perfluoroazy!halogenide (IV)
werden zu (III) addiert, das in einen Temperaturbereich von -5 bis 5 C abgekühlt wurde, und sie werden bei Raumtemperatur
über eine Zeit von 12 bis 14 Stunden reagieren gelassen, wonach
die Mischung hydrolisiert wird. Nach Extrahieren des Ketons (V) wird die Lösungsmittelschicht phasengetrennt und getrocknet.
Das Keton wird dann durch fraktionierte Destillation wiedergewonnen .
In (3) ist das Keton fluoriert mit Schwefeltetrafluorid. Die
Reaktion wird vervollständigt durch Zugabe wasserfreien HF und Schwefeltetrafluorid in einen das Keton enthaltenden gekühlten
Druckbehälter, der dann geschüttelt und über eine Zeit von 12 bis 24 Stunden auf einer Temperatur von 150 bis 200 C
gehalten wird- Nach Kühlen und Entlüften des Behälters wird das Innere mit einem Lösungsmittel gewaschen. Das Lösungsmittel
wird dann evakuiert und der Rückstand fraktioniert destilliert,
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BOEHMERY &
um das fluorierte Produkt (VII) zu erhalten.
In Gleichung (4) wird Buthyllithiuin einer Lösung des Perfluoroalkyläthers
(VI). bei -70 bis -80 C zugegeben. In der Reaktion, die im allgemeinen 15 Minuten bis 1 Stunde anhält, wird das
Brom von (VI) durch das Lithium ersetzt, was perfluoriertes (VII) ergibt. Am Ende der Reaktion wird eine Lösung von Phosphortrichlorid
zu (VII) zugefügt um ein erfindungsgemäßes Phosphin (VIII)
zu ergeben. In Gleichung (5) wird die Mischung bei -70 bis -80 C 0,5 bis 1,5 Stunden gerührt, woraufhin sie langsam über
3 bis 10 Stunden hin auf -25 bis -35 erwärmt wird. Die Aufbereitung des Produkts geschieht durch Zugabe verdünnter Salzsäure
(HCL) zur Mischung, die phasensepariert ist. Die viskose Bodenlage wird mit Wasser gewaschen, mit einem fluorierten
Lösungsmittel verdünnt und getrocknet. Nach Filtration und Entfernen des Lösungsmittels wird Phosphin (VI) durch fraktionierte
Destillation als eine viskose Flüssigkeit gewonnen.
Die Materialien, die in der Herstellung der Zwischenprodukte und des Phosphins benutzt werden, sind bekannte, in der Literatur
beschriebene Verbindungen. Die obige Beschreibung illustriert die Herstellung von paraständigen, substituierten Verbindungen.
Es liegt innerhalb des Erfindungsgedankens Meta- oder Ortho-Isomere
als Antikorrosionsadditive in der Schmierstoffzusammensetzung
zu benutzen. Beim Synthetisieren dieser Isomere wird jeweils 1,3- und 1,2-Dibromotetrafluorobenzen als Ausgangsmaterial
benutzt.
Jedes der Formel Rf:ORfC(O)X entsprechendes Azylhalogenid kann
benutzt v/erden, wobei RfORf eine Perf luoroalkyläthergruppe und
X ein Halogen ist. Beispiele von geeigneten Azylhalogeniden, die der Ausgangsstoff der R,0Rf-Gruppen sind, sind in den US-PS'en
3 124 599, 3 214 478 und 3 721 669 beschrieben. Derart kann
8Q98; S/0512
BOEHMERT & BOEKMERT
ΛΛ
eine Vielfalt von Ketonen entsprechend der Reaktion (2) synthetisiert werden. In (3) wird das Keton eine CF--Gruppe.
Die obige Beschreibung befaßt sich mit vollständig fluorierten Phosphinen. Jedoch liegt es innerhalb des Erfindungsgedankens,
teilweise fluorierte Phosphine zu benutzen, d.h. η in (B) ist 1 oder 2. Es wird das gleiche Verfahren durchgeführt, außer daß
in Gleichung (5) Phenyldichlorophosphin (n=2) oder Diphenylchlorophosphin
(n-1) mit (VII) reagiert. Die entsprechende Reaktion kann durch die Gleichung (6) dargestellt werden:
nLi
F F
F F
(VII)
CF2RfORf
nLiCl +
RfORfCF2
F F
F F
H H
PCI
3-n
H H
3-n
In Gleichung (6) ist n=1 oder 2.
In der Darstellung des erfindungsgemäßen Schmierstoffes wird ein
korrosiortshindernder Anteil des Phosphins mit linear fluoriertem
Polyäther gemischt. Der Anteil des benutzten Phosphins liegt im allgemeinen im Bereich von 0,05 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 2 Gew.-i
auf der Basis des Gewichts der Grundflüssigkeit. Die herausragen-
8Q9818/0S12
BOEHMRKT & BOEITMERT
den Eigenschaften des erfindungsgemäßen Schmierstoffs müssen
nicht nur der speziellen Grundflüssigkeit und dem Phosphin zugerechnet werden, sondern auch dem unerwartetem Effekt,
der durch die Mischung beider erhalten wird. Es ist wichtig, daß die Antikorrosionsphosphine bei tiefen Temperaturen in
der Grundflüssigkeit lösbar und im wesentlichen nicht flüssig bei erhöhten Temperaturen sind. So entsteht ein Schmierstoff,
der einen Anteil an Antikorrosionsadditiven besitzt, der lang andauernden Anwendungen bei erhöhten Temperaturen angemessen
ist, während er eine ausgezeichnete Aufbaustabilität nach Lagerung bei tiefen Temperaturen über eine lange Zeitdauer
behält.
Gleichwichtig ist, daß die Grundflüssigkeit eine relativ konstante
Viskosität über einen breiten Temperaturbereich besitzt. In der Zeichnung (Fig. 1) ist die Veränderung der kinematischen
Viskosität über einen weiten Temperaturbereich für drei oben angeführte Grundflüssigkeiten illustriert. Die Daten wurden in
Übereinstimmung mit ASTM D445 erhalten. Aus den Graphen ist ersichtlich, daß der Wechsel in der kinematischen Viskosität
über einen weiten Temperaturbereich relativ klein ist und daß die Grundflüssigkeiten über den Bereich unter den Prüfbedingungen
fließbar und pumpbar sind. Jedoch wurde ebenso gefunden, daß die Grundflüssigkeit per se unter Benutzungsbedingungen bei
erhöhten Temperaturen sich rasch zersetzt. Überraschenderweise wurde entdeckt, daß die Phosphinädditive bewirken, die Grundflüssigkeit
bei erhöhten Temperaturen gegen oxidative Einflüsse zu stabilisieren, ohne deren wünschenswerte Viskositätseigenschaften
zu beeinträchtigen. Die erfindungsgemäße Zusammenstellung hat eine relativ konstante Viskosität, so daß sie in
einem weiten Temperaturbereich fließbar oder pumpbar ist.
Die folgenden illustrierenden Beispiele beabsichtigen nicht, die
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BOEHMERT & BOEHMERT
Erfindung unzulässig zu beschränken.
Beispiel I
Beispiel I
Versuchsläufe wurden durchgeführt zur Bestimmung der Effektivität
der erfindungsgemäßen Schmierstoff zusammensetzungen. Zusammensetzungen
wurden angesetzt durch Mischen (1) einer Grundflüssigkeit mit der Formel:
RfO
wobei R-. CF, oder C3F1. ist; m und η sind ganze Zahlen, die
solche Werte haben, daß die Flüssigkeit eine kinematische Viskosität von etwa 17,8 Zentistokes bei 100°F (38°C)hat, mit (2) verschiedenen
Prozentsätzen an fluorierten Phosphinen auf der Grundlage des Gewichts der Grundflüssigkeit:
C2F7OCFCF2OCCF2
CF.
CF.
Die benutzte Grundflüssigkeit war Pomblin-Z-Flüssigkeit, ein
Erzeugnis der Montedison, S.ρ.Α., Mailand, Italien.
Eine Probe von Stahl-, Titanlegierungen oder Titan wurde in die Zubereitung eingetaucht. Die Zusammenstellungen der Stahl-, und
Titanlegierungen wurden in der Literatur beschrieben. Zum Vergleich wurden auch Versuchsläufe ausgeführt, bei denen die Proben
in Polyätherflüssigkeit ohne antikorrosive Additive getaucht
wurden. Die Materialien waren in einem Oxidationsversuchsrohr
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- 10 -
BOCHMHRY & BOiHMERT
/ff-
enthalten, das einen Abnahmeadapter besaß, der mit einem
Luftbeschickungsrohr verbunden war. Ein Aluminiumstoppbad
besaß Mittel zum Erhitzen des Versuchsrohrs und ein "über Bord"- ("overboard")-Prüfverfahren folgte (ohne Rücklaufkondenser).
Über 24 Stunden hin wurden durch die Zubereitung Luft mit einer Rate von einem Liter Luft pro Stunde geblasen. Die Läufe
wurden bei einer konstanten Temperatur von 55O°F (288°C) ausgeführt. Die Proben und die Apparate wurden vor und nach
Durchführung jedes Laufes gewogen.
Die erhaltenen Daten ergeben sich aus den folgenden Tabellen.
Kinematische | 550 F° | (288°C) | Gewichtswechsel, | 410 rost | 2 | mg/cm | zeug | 440 C | |
Viskositäts- | 52100 | stahl | rost | ||||||
wechsel bei | Trag | M-50 | freier | ||||||
Gew.-% | ΙΟΟΤζ (%) | Flüss.- | 4140 | Stahl | freier Stahl Werk- | -2.37 | Stahl | ||
Additive | = 38 C | verlust | Stahl | +0.68 | |||||
(D | Gew.-% | +0.01 | -3.10 | ||||||
+3.99 | +1.02 | +0.12 | |||||||
+0.22 | +0.48 | -5.54 | 0.00 | ||||||
keine | +0.85 | 83.75 | +0.024 | +0.51 | +0.01 | +0.16 | |||
0.5 | 0.57 | -0.87 | +0.031 | +0.05 | |||||
1.0 | 0.31 | +0.042 | +0.84 | +0.13 | |||||
2.0 | 0.69 | +1.22 | |||||||
600°F | (316°C) | ||||||||
keine
0.5
1.0
2.0
0.5
1.0
2.0
(D
0.0
0.0
+0.1
HD.22
HD.22
100
0.53
0.25
0.53
0.25
0.45
-3.54 -3.61 +1 .43 +4.65
+1 .60 +1.38 +0.41 +0.46
-8.58 +O.6O -9.89
-0.01 +2.25 -0.01
-0.35 +0.44 -0.02
0.00 +2.74 +0.01
zur Mes^ong ungenügend
5 J 2
-11-
BOEHMi· RT & BOERMERT
Gew.-% | Kinematische | Tabelle | II | Gewichtswechsel mg/an | Ti | (rein) | Ti(4Ai4Mn) | |
Additive | Viskositäts wechsel bei 1OTT (%) = 38°C |
TK6A14V) | ||||||
Tanp. ΐ | keine | -97.22 | Flüss | -0 | .28 | -0.28 | ||
0.5 | + 3.87 | verlust Gew. -% |
-KD.06 | 0 | .00 | ■KD.03 | ||
550 (288) | 1.0 | -K).16 | 59.87 | -K).O6 | -K) | .01 | -MD.01 | |
550 (288) | 2.0 | -K3.39 | 0.57 | 4O.01 | +0 | .05 | -KD.1O | |
550 (288) | II | 0.10 | -K).07 | |||||
550 (288) | 0.17 | |||||||
Beispiel | ||||||||
Die Versuchsläufe wurden nach dem gleichen, wie im Beispiel I beschriebenen
Verfahren durchgeführt, und die gleiche Grundflüssigkeit wie in Beispiel I wurde benutzt unter Veränderung der Gewichtsprozentsätze verschiedener fluorierter Phosphine:
H H
H H
CF3O(CF2O)3CF2CF2
CF2CF(OCF2CF)4OC3F7;
CF.
CF.
F F
F F
BOEfIMCKT & UOIiHMERT
P; und
C3F-OCFCF2
CF.,
CF.,
F F
Die in den Läufen erhaltenen Daten sind im wesentlichen die gleichen
wie die in den Läufen des Beispiels I erhaltenen Daten.
Die Daten zeigen, daß die erfindungsgemäßen Schmierstoffzusammensetzungen
nur geringe, wenn überhaupt korrosive Auswirkungen auf Titan, und Eisen- und Titanlegierungen haben. Es gab im wesentlichen
keine Zersetzung der Schrpier stoff zusammensetzungen bei erhöhten
Temperaturen, selbst wenn die Grundflüssigkeit per se beträchtlich
zersetzt war. Es ist also ersichtlich, daß die Phosphinadditive sowohl als Antikorrosions- als auch als Antioxidationsmittel
wirken. Wegen ihrer herausragenden Eigenschaften können die Schmiermittel
zu Anwendungen benutzt werden, die extreme Temperaturbedingungen verlangen, einschließlich als Gasturbinenmaschinenschmiermittel,
nicht brennbare hydraulische Flüssigkeiten, mit flüssigem Sauerstoff verträgliche Fette, flüssige Kühlmittel und Allzweckschmiermittel.
809815/0512
- 13 -
Claims (1)
- Ansprücheί 1 .) Schmierstoff zusaramensetzung, gekennzeichnet durch eine Grundflüssigkeit, die im wesentlichen aus einer Mischung von linearfluorierten Polyäthern mit der FormelR^O(CF0CF0O) (CF0O) Rf r ZZm λ η fbesteht, wobei Rf CF3 oder C0F5 ist, m und η ganze Zahlen sind deren Summe zwischen 2 und 200 und deren Verhältnis η zu m zwischen O,1 und 10 liegt; und einen Korrosionsverhinderungsanteil eines perfluoroalcyläther-substituierten Arylphosphins mit der Formel:R RH H3-nwobei eines der R eine Perfluoroalkyläthergruppe, zwei der R Fluorine und n=1, 2 oder 3 sind.2. Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Phosphine auf der Basis des Gewichts der Grundflüssigkeit im Bereich von 0,05 bis 5 Gew.-% liegt.3. Schmierstoff zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Phosphine auf der Basis des Gewichts der Grundflüssigkeit im Bereich von 0,5 bis 2,O Gew.-% liegt.717809818/0512ORIGINAL INSPECTEDBOEHMtHT & BOEriMERT4. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der R der PhosphineF
IF IC,F7O(CCF0O), CCF0-, C0F1. (CoF.0) CF0CF0- oder CF,0(CF0O) CF0CF0-; CF2 CF3ist, wobei x, y und ζ Null oder eine ganze Zahl zwischen 1 und einschließlich sind.5. Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:C3F7OCF(CF3)CF2OCF(CF3)F F 36. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:C3F7 (CF (CF3;CF2Oj 4CF(CF3)F FLH H7. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:F F _C3F7CCF(CF3)CF2F F 33. SchmierstoffZusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:809815/0512ßOLHMIlRT & BOcFMFRTCF3O(CF2O)9. Schmierstoffzusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Phosphin die folgende Formel besitzt:F FF FP .809815/0512
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